(57)【要約】【課題】密度汎関数法に基づくタンパク質の精密な量子化学計算を行う場合、計算が真の値に収束するためには適切な立体構造データが必要となる。立体構造データは通常、プロテインデータバンク（ＰＤＢ）より公開されている立体構造データを取得するが、実験条件等の理由によりデータに不備のある場合が多い。そのため構造歪みの除去や表面処理などの複雑な前処理が必要となり、試行錯誤や経験をもとに行われていた。【解決手段】適切な立体構造データを得るための複雑な前処理手続きを確立し、処理の自動化を実現する。汎用の分子動力学計算ソフトウェアを活用して、ＰＤＢデータを元に構造緩和計算を行い、構造の歪みを除去する。また解離基を含むタンパク質についてはカウンターイオンを用いた表面処理を施し中性化を行う。これらを結合し、精密な量子化学計算において安定に収束が得られる立体構造データを提供するシステムを構築する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密度汎関数法に基づくタンパク質の全電子波動関数計算で用いるための立体構造データを作成するためにコンピュータを、計算条件のキーワードを入力ファイルに設定する手段、水素付加プログラムを用いて、タンパク質の立体構造データに水素原子の座標を付加する手段、分子動力学計算プログラムを実行するための入力ファイルを作成する手段、分子動力学計算プログラムを用いてエネルギー極小化計算を行う手段、分子動力学計算プログラムを用いて構造緩和計算を行う手段、分子動力学計算プログラムを用いて再度エネルギー極小化計算を行う手段、立体構造データについて表面処理を施す手段、構造歪みの検査を行うプログラムを実行し、検査結果を出力する手段、上記一連の手段により補正されたタンパク質の立体構造データをファイルに出力する手段として機能させるための全電子波動関数計算の前処理プログラム。
【請求項２】
密度汎関数法に基づくタンパク質の全電子波動関数計算で用いるための立体構造データを作成するためにコンピュータを、計算条件のキーワードを入力ファイルに設定する手段、水素付加プログラムを用いて、タンパク質の立体構造データに水素原子の座標を付加する手段、分子動力学計算プログラムを実行するための入力ファイルを作成する手段、分子動力学計算プログラムを用いてエネルギー極小化計算を行う手段、分子動力学計算プログラムを用いて構造緩和計算を行う手段、分子動力学計算プログラムを用いて再度エネルギー極小化計算を行う手段、立体構造データについて表面処理を施す手段、構造歪みの検査を行うプログラムを実行し、検査結果を出力する手段、上記一連の手段により補正されたタンパク質の立体構造データをファイルに出力する手段として機能させるための全電子波動関数計算の前処理プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項３】
密度汎関数法に基づくタンパク質の全電子波動関数計算で用いるための立体構造データの作成を行う装置であって、計算条件のキーワードを入力ファイルに設定する手段、水素付加プログラムを用いて、タンパク質の立体構造データに水素原子の座標を付加する手段、分子動力学計算プログラムを実行するための入力ファイルを作成する手段、分子動力学計算プログラムを用いてエネルギー極小化計算を行う手段、分子動力学計算プログラムを用いて構造緩和計算を行う手段、分子動力学計算プログラムを用いて再度エネルギー極小化計算を行う手段、立体構造データについて表面処理を施す手段、構造歪みの検査を行うプログラムを実行し、検査結果を出力する手段、上記一連の手段により補正されたタンパク質の立体構造データをファイルに出力する手段からなる全電子波動関数計算の前処理を実行するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、計算機を用いた大規模タンパク質の量子化学計算により、その機能の解明や理解、創薬への応用を行う上での計算支援に関する技術である。特に密度汎関数法を用いた、精密なタンパク質の全電子波動関数計算が可能なソフトウェアを利用する場合に必要となる、適切なタンパク質立体構造データを得るための前処理の手続きを確立し、自動化するための解析支援技術に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の量子化学計算ソフトウェアでは、１電子近似に相当するハートリーフォック法に基づく分子軌道計算手法を採用したものが多く市販されており、また計算対象も低分子であるものが多い。その代表的な市販ソフトウェアとしてはＧａｕｓｓｉａｎ社によるＧａｕｓｓｉａｎが挙げられる。ハートリーフォック法では電子相関を含まないために比較的計算の収束は容易であり、立体構造データに多少の構造歪みがあっても特に問題なく収束解が得られる。従って立体構造データを得るための前処理として必要な作業は、欠損原子の付加を行う程度である。また電子相関を含む密度汎関数法を採用した量子化学計算ソフトウェアも多く市販されており、Ｇａｕｓｓｉａｎ、Ｑ−Ｃｈｅｍ（Ｑ−Ｃｈｅｍ社）、ＴＵＲＢＯＭＯＬＥ（Ｋａｒｌｓｒｕｈｅ大学）などが挙げられる。それぞれ特徴を有するが、比較的低分子の計算に限られている。【０００３】  上記の市販ソフトウェアではタンパク質のような大規模な生体高分子を正確に取り扱うことはできない。そのため、活性中心などの重要な部位のみ精密な量子化学計算を行い、その周りの部位では古典力学計算を行う、ＱＭ／ＭＭと呼ばれる計算手法が確立されている（例えば、非特許文献１参照）。【０００４】  タンパク質を丸ごと扱い、かつ電子相関効果を含める密度汎関数法を用いた精密計算が可能な量子化学計算ソフトウェアＰｒｏｔｅｉｎＤＦが開発されている（例えば、非特許文献２参照）。このソフトウェアを利用すればタンパク質の精密な全電子波動関数の計算を行うことが可能となる。【０００５】  しかし電子相関を含んだ精密な分子軌道計算であるため、大規模なタンパク質において計算を収束させることは格段に困難となる。計算結果は計算対象であるタンパク質の立体構造データに大きく依存するため、適切な立体構造データを作成するための前処理が重要となる。そのためＰｒｏｔｅｉｎＤＦに代表される、精密な量子化学計算ソフトウェアの利用者には全電子波動関数計算に至るまでの過程が障害となり、ソフトウェアを活用するまでには多くの試行錯誤やノウハウの習得が必要となる。【０００６】
【非特許文献１】Ｔ．Ｖｒｅｖｅｎ  ａｎｄ  Ｋ．Ｍｏｒｏｋｕｍａ，Ｔｈｅｏｒ．Ｃｈｅｍ．Ａｃｃ．１０９（２００３）ｐ．１２５．（ブレベン、諸熊、理論化学報告１０９巻ｐ．１２５）
【非特許文献２】Ｆ．Ｓａｔｏ，Ｙ．Ｓｈｉｇｅｍｉｔｓｕ，Ｉ．Ｏｋａｚａｋｉ，ｅｔ．ａｌ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｑｕａｎｔ．Ｃｈｅｍ．６３（１９９７）ｐ．２４５．（佐藤、重光、岡崎他、量子化学国際ジャーナル６３巻ｐ．２４５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  タンパク質の量子化学計算を行う場合、適切なタンパク質の立体構造データが必要となる。通常はプロテインデータバンク（ＰＤＢ）により公開されている、原子座標や結合情報などが含まれる構造データ（ＰＤＢデータ）を取得するが、実験条件等により登録データに不備のある場合が多い。例えば、Ｘ線構造解析により得られたデータには水素原子の情報が欠落している。また、タンパク質を結晶化して得られた立体構造データのため、局所的な構造の歪みも大きく、密度汎関数法に基づく精密な分子軌道計算では、そのままの立体構造データでは収束解を得るのが困難な場合が多い。更に、ＰＤＢデータは実験により得られたデータのため溶媒中での解離した状態となっている。密度汎関数法に基づく精密な分子軌道計算では、タンパク質の溶液中の環境を有効的に取り扱う必要がある。【０００８】  そのため密度汎関数法に基づいてタンパク質の精密な分子軌道計算を行う場合、計算を真の解に収束させるための適切な立体構造データを得るために、水素原子の付加や構造歪みの除去、荷電状態を中性化するための表面処理といった複雑な前処理が必要となる。【０００９】  従って本発明の第１の目的は、大規模タンパク質の精密な量子化学計算が、試行錯誤や経験に頼らず比較的簡単に実行できるように、適切な立体構造データを得るまでの処理手順を確立し、自動化するプログラム、及びプログラムを格納した記録媒体、プログラムの実行装置を提供することにある。【００１０】  また本発明の第２の目的は、上記に挙げた処理手続きのうち、荷電アミノ酸やＮ末端、Ｃ末端などの解離基を含むタンパク質の表面処理を行うために、カウンターイオンを用いた中性化の手法、及びそれを実現するプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  上記第１の目的は、各処理条件のキーワードを入力する手段、水素付加プログラムによる水素原子の座標を付加する手段、分子動力学計算プログラムを実行するための入力ファイルを作成し、エネルギー極小化計算、分子動力学計算を行う手段、中性化処理を施す手段、構造歪みの検査プログラムを実行し、検査結果を出力する手段、及び補正されたタンパク質の立体構造データを出力する手段とを備えることにより達成される。【００１２】  上記第２の目的である表面処理の手続きについては、上記第１の解決手段における中性化処理において、構造歪みが除去された構造データから水分子を除去する手段、解離基近傍にカウンターイオンを配置する手段、タンパク質の座標を固定した状態でエネルギー極小化計算を行い、カウンターイオンを最適な位置に配置する手段とを備えることにより達成される。
【発明の効果】
【００１３】  本発明により、密度汎関数法に基づくタンパク質の精密な量子化学計算を行うために必要となる適切な立体構造データを、従来までの試行錯誤や経験に依存することなく得ることが可能となる。【００１４】  また本発明の、全電子波動関数計算の前処理を実行するための装置では処理が自動化されており、条件設定とコマンド実行のみで使用可能なため、数値解析技術に詳しくない利用者でも精密な分子軌道計算を実行し安全に収束解を得ることができるための支援装置となる。【００１５】  これによりタンパク質の詳細な機能解明や、創薬などの分子設計の産業応用面において支援可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  以下、本発明の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。【００１７】  図１は本発明の全電子波動関数計算のための適切な立体構造データの前処理方式の一実施例を示す構成図である。本実施例の立体構造データ前処理方式は、図１に示すように、ＰＤＢより取得したタンパク質の立体構造データを読み込むデータ入力部１０１と、水素付加プログラムを用いて、水素原子座標の付加を行う処理部１０２と、分子動力学計算プログラムを実行するための入力ファイル（ＭＤ入力ファイル）を作成し、分子動力学計算プログラムを用いたエネルギー極小化計算、及び分子動力学計算により、タンパク質の構造緩和を行う計算部１０３と、構造歪みの検査プログラムを用いて構造データの歪みを検査し、検査結果を出力する処理部１０４と、構造歪みの除去されたタンパク質の構造データの表面処理を施す処理部１０５と、上記一連の処理により補正された、タンパク質の立体構造データをファイルに出力する出力部１０６とから構成されている。【００１８】  まず、ＰＤＢ等よりタンパク質の立体構造データ（ＰＤＢデータ）を取得し、立体構造データの前処理装置の入力部１０１に入力する。次に計算条件を設定する入力ファイルに、読み込むＰＤＢファイル名、ペプチド鎖の識別子の指定、複数のモデルが含まれる場合にはモデル番号の指定を行う。また外部プログラムとなる分子動力学計算プログラムを実行する際の、タンパク質を囲う水分子溶媒の大きさや距離を指定する。エネルギー極小化計算、分子動力学計算に必要となる入力キーワードも本入力ファイルに記述する。本発明による立体構造データの前処理装置において使用する分子動力学計算プログラム及び水素原子付加プログラムはＡＭＢＥＲ７である。ＡＭＢＥＲ７はカリフォルニア大学（ＵＣＳＦ）により開発され、現在広く利用されている汎用の分子動力学計算ソフトウェアである。【００１９】  更に、入力部１０１では、ＰＤＢファイルと計算条件設定入力ファイルを読み込み、入力解析を行う。これより、ＰＤＢファイルから必要な立体構造データのみ取り出し、アミノ酸残基名の変更等の編集を行い、分子動力学計算プログラムで読み込み可能なデータとする。また、図１に示した処理１０３において必要となる入力ファイルが自動生成される。【００２０】  処理部１０２では、水素付加プログラムを用いて、入力部１０１で編集されたＰＤＢデータに水素原子の座標を付加する。ＮＭＲ等により構造決定されたデータの場合は既に水素原子があるため、原子名変更の処理のみ行う。【００２１】  処理部１０３は、分子動力学計算プログラムを用いたタンパク質の構造緩和に関する処理となり、詳細な手続きを図２に示す。【００２２】  図２はタンパク質の構造緩和処理の動作を示す流れ図である。ステップ２０１では水素付加処理部１０２の結果データの入力を行い、ステップ２０２ではＭＤ入力ファイルの作成を行う。ステップ２０３では、分子動力学計算プログラムを用いたエネルギー極小化計算を実行し、ステップ２０４及び２０５では分子動力学計算プログラムを用いた分子動力学計算を行う。更にステップ２０６では、分子動力学計算プログラムを用いて再度エネルギー極小化計算を行う。なお各ステップに示す���マンド（ｘｌｅａｐ及びｓａｎｄｅｒ）は、ＡＭＢＥＲ７を利用する場合の実行コマンドである。【００２３】  まず、水素付加処理部１０２において水素原子の付加された構造データを読み込む（ステップ２０１）。次に、分子動力学計算プログラムを用いて、エネルギー極小化計算及び分子動力学計算に必要となるトポロジーファイルと座標ファイルを生成する（ステップ２０２）。このときタンパク質にジスルフィド結合があれば対応する硫黄原子の結合情報が含まれる。また図１の入力部１０１で指定した条件で、溶媒として水分子が投入される。【００２４】  ステップ２０２で生成されたトポロジーファイルと座標ファイル、及び入力部１０１で自動生成されたエネルギー極小化計算の条件設定ファイルを読み込み、エネルギー極小化計算を実行する（ステップ２０３）。これは分子動力学計算を行うときに計算が発散しないようにするためである。具体的には、１０００ステップの極小化計算を行い、計算手法はＳＤ法（Ｓｔｅｅｐｅｓｔ  Ｄｅｓｃｅｎｔ法）を用いる。また計算条件は定容境界での周期境界を設定し、水素を伴うボンド長は一定とする。カットオフは１０［Å］とする。【００２５】  次に分子動力学計算を実行し、タンパク質の構造を緩和させる。まず最初に、温度を０［Ｋ］から３００［Ｋ］まで上昇させながら１［ｐｓ］の分子動力学計算を行う（ステップ２０４）。計算条件は、一定圧力の周期境界条件のもとで行い、水素を伴うボンド長は一定とする。時間刻みは０．１［ｆｓ］、カットオフは１０［Å］とする。【００２６】  その後、温度一定のもとで２０［ｐｓ］まで分子動力学計算を行う（ステップ２０５）。このとき３００［Ｋ］に温度を一定させる拘束条件以外の計算条件は、加熱時の計算と同様である。２０［ｐｓ］の構造緩和計算の実施例として、全エネルギーの時間変化の出力データをプロットした例を図３に示す。縦軸が全エネルギー［ｋｃａｌ／ｍｏｌ］、横軸が時間［ｐｓ］を表す。構造緩和により全エネルギーがほぼ一定に落ち着く様子が示される。【００２７】  分子動力学計算による構造緩和の後、再度エネルギーの極小化計算を実行する（ステップ２０６）。計算条件は最初のエネルギー極小化計算と同様である。【００２８】  以上のステップの処理により、構造歪みの除去された立体構造データが得られる。【００２９】  次に、図１の構成図の歪み検査処理部１０４において、歪みの除去されたタンパク質の立体構造について、構造歪みの評価を行う。例えば、ロンドン大学（ＵＣＬ）より無償で提供されているタンパク質の立体構造歪みの評価プログラムであるＰＲＯＣＨＥＣＫを用いて評価を行う。結果はラマチャンドランプロット等の図で出力される。【００３０】  評価結果で特に問題がなければ、表面処理部１０５においてタンパク質の表面処理を行う。【００３１】  図４はタンパク質の表面処理の動作を示す流れ図である。ステップ４０１は歪みの除去された立体構造データより水分子を除去する。ステップ４０２は解離基の近傍にカウンターイオンを配置する。ステップ４０３は構造データの編集とエネルギー極小化計算の計算条件設定ファイルの作成を行う。ステップ４０４は、分子動力学計算プログラムを用いたエネルギー極小��計算により、カウンターイオンの配置の最適化を行う。ステップ４０５は出力された構造データの編集を行い、分子軌道計算のための立体構造データを作成する。【００３２】  以下、表面処理の動作例について図４の流れ図に基づき詳細に説明する。【００３３】  まず、ステップ４０１において、歪みの除去された構造データから分子動力学計算で投入した溶媒の水分子の座標データを削除する。次に、ステップ４０２において、荷電アミノ酸やＮ末端、Ｃ末端の解離基の近傍にカウンターイオンを配置する。荷電アミノ酸は、カチオンがリシン（Ｌｙｓ）、アルギニン（Ａｒｇ）、ヒスチジン（Ｈｉｓ）であり、アニオンがグルタミン酸（Ｇｌｕ）、アスパラギン酸（Ａｓｐ）である。【００３４】  カウンターイオンは、カチオン及びＮ末端のアミノ酸残基は正の電荷を持つため、塩素イオンＣｌ−を用いて中性化を行い、アニオン及びＣ末端のアミノ酸残基は負の電荷を持つため、ナトリウムイオンＮａ＋を用いて中性化を行う。カウンターイオンの配置の方法は以下のように行う。【００３５】  まず、Ｎ末端及びＬｙｓの場合はＮＨ３＋の状態である。この３つの水素原子Ｈの座標の中点を求め、窒素Ｎの座標からその中点座標へ向かうベクトルを求める。このベクトルの向きに、Ｎからの距離が３．０２９５Åの位置を目安にＣｌ−を仮配置する。【００３６】  Ａｒｇの場合には、側鎖の末端がＮＨ２＋の状態である。ＮＨ２＋及びＮＨ２のそれぞれ内側に位置する水素原子Ｈと、炭素Ｃの座標を用いて算出する。Ｃ座標から各Ｈ座標へのベクトルの和を求め、そのベクトルの向きにＣからの距離が３．７２９３Åの位置を目安にＣｌ−を仮配置する。【００３７】  Ｈｉｓの場合は、元のＰＤＢデータにおいて中性化されている状態が殆どであるため処理は行わない。【００３８】  Ｃ末端及びＧｌｕ、Ａｓｐの場合はＣＯＯ−の状態である。この場合には、炭素Ｃの座標から２つの酸素０の座標へのベクトルの和を求め、そのベクトルの向きにＣからの距離が２．５６１４Åの位置を目安にＮａ＋を仮配置する。【００３９】  立体構造データに、上記方法で仮配置されたカウンターイオンの座標を追加する。【００４０】  ステップ４０３では、前ステップで得られた構造データを編集し、分子動力学計算プログラムで読み込み可能な書式にする。特にカウンターイオンは一つの残基として記述し、原子名及び残基名はＮａ＋又はＣｌ−とする。またエネルギー極小化計算のための計算条件設定ファイル及び、図２のステップ２０２と同様、トポロジーファイルと座標ファイルを生成する。【００４１】  ステップ４０４においてエネルギー極小化計算を実行する。ここでは仮配置されたカウンターイオンの最適化を行うために、タンパク質を固定した状態でエネルギー極小化計算を行う。計算条件は図２のステップ２０３の計算条件に、周期境界は設定しない条件とタンパク質の構成原子は固定する条件が付加される。【００４２】  ステップ４０５において、前ステップまでの処理で得られた構造データの編集を行う。カウンターイオンをダミー電荷（点電荷）として扱うため、原子名をＸとし、配置した各アミノ酸残基に属する形式で記述する。またＮａ＋であれば電荷を＋１、Ｃｌ−であれば−１を記述す���。【００４３】  表面処理の実施例として、以上のステップで得られた構造データを描画ソフトウェアで表示した例を図５に示す。【００４４】  以上が図１に示す構成図に基づく、全電子波動関数計算の前処理を実行するための装置における実施例の詳細な説明となる。これより密度汎関数法に基づく精密な分子軌道計算のためのタンパク質の適切な立体構造データが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明のタンパク質の精密な量子化学計算のための立体構造データ前処理方式の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例における構造緩和処理方式の動作を示す流れ図である。
【図３】構造緩和計算により出力される全エネルギー時間変化のデータをプロットした例である。
【図４】本発明の実施例におけるタンパク質の表面処理方式の動作を示す流れ図である。
【図５】タンパク質の表面処理により出力される構造データを表示した例である。
【符号の説明】
【００４６】１０１    入力部
１０２    水素付加処理部
１０３    構造緩和計算部
１０４    構造歪み検査部
１０５    表面処理部
１０６    出力部
２０１〜２０７    構造緩和処理の流れ図におけるステップ
４０１〜４０５    表面処理の流れ図におけるステップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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